基于激光干涉的接触式微位移测量仪

王淑珍1,2,谢铁邦1

1华中科技大学;2洛阳理工学院

摘要:介绍的基于激光干涉的微位移测量仪具有分辨率高、结构简单、成本低的特点。该微位移测量仪由基于迈克尔逊激光干涉原理的微位移测量装置、工作台、光电阵列、信号处理电路、计算机及数据处理软件等组成。该测量仪位移测量理论分辨力可以达到0.01n m,特别适合范围在微米及微米以下的位移测量,可用于ME MS器件的位移检测,压电器件位移检测等。

关键词:计量学;微位移测量;激光干涉;十字片簧铰链;光电阵列

中图分类号:TH741;TG802 文献标志码:A

C ontact Micro Displacement Measuring Instrument Based on Laser Interference

Wang Shuzhen,Xie Tiebang

Abstract:A contact micro displacement measuring instrumen t based on laser interference is introduced.It has the character istics of high resolution,simple s tructure and low cost.The displacement measuring instru ment consists of several parts:the micro displacement measuring device based on M ichelson interferometry usi ng laser,the workbench,the optoelectronic arrays and its sig nal processing circuit,the computer and data processing software.The theoretical resolution of the displacement measurement may achieve0.01n m.The instrument is particularly suitable for the micron,sub micron measuri ng range and can be used to detect the displacement of ME MS devices,piezoelectric devices and so on.

Keywords:Metrology;micro displacement measurement;laser interference;cross spring hinge;optoelectronic arrays

1 引言

位移测量是振动、应变、加速度等多种物理量的检测基础,随着精密机械技术的发展和应用,微位移测量技术已是现代测量技术的一个重要的研究方向。目前能够实现纳米级精度位移测量的方法主要有电学测量法、扫描显微镜法,光学测量法等[1-4]。激光干涉测量方法以光波波长为测量基准,测得的量值可直接溯源到长度基准,采用光学倍程技术、干涉条纹电子细分技术等可以提高测量的分辨率,实现纳米干涉测量。本文介绍了一种基于激光干涉的微位移测量仪,该测量仪以半导体激光器为光源,以 田字型四象限光电阵列接受激光干涉信号,采用光学倍程技术和干涉条纹电子细分技术,位移测量系统的理论分辨率可达0.01nm,实验表明该测量仪可以达到1nm的分辨力。

2 系统测量结构和测量原理

微位移测量仪由基于迈克尔逊激光干涉原理的微位移测量装置、工作台、光电阵列以及信号处理电路、计算机及数据处理软件组成,如图1所示。机械机构安装在防震的大理石平台上。

被测工件放置在工作台上,当被测工件上下移动时,触针带动角锥棱镜上下移动。半导体激光器发出的光经起偏器、1/4波片到达分光镜后分成两光束。激光经1/4波片后输出圆偏振光。偏振光干涉可以消除杂散光的影响,提高条纹对比度。参考光束经参考镜反射后沿原路返回,测量光束经由角锥棱镜到达反射镜后也由原路返回,两路返回光在分光点处重新相遇产生干涉,干涉条纹经过放大镜放大后通过光电阵列接收。两路光的光程差每变化一个波长,干涉条纹就沿一定方向明暗交替变化一次,条纹移动量由光电阵列测出,利用计算机的软硬件技术对干涉信号进行辨向、细分,获取被测工件的位移量。光电阵列位于放大镜的轴线上,位移方向和测量方向在一条直线上。

图1 微位移测量仪结构图

3 位移测量原理

微位移测量仪的位移检测装置由半导体激光

器、分光棱镜、角锥棱镜、参考镜、反射镜、触针、测

杆、十字片簧铰链、平衡弹簧等组成,如图1所示。被测工件上下移动时,测杆可以绕十字片簧铰链做无摩擦力转动,从而提高测杆的运动精度和灵敏度。平衡弹簧使测杆保持平衡。

3 1 位移计量原理

如图1所示,由激光器发出的一束激光经分光镜被分为两束,分别经参考镜和反射镜反射后沿原路返回,并在分光点处重新相遇,发生干涉,干涉条纹由 田字型四象限光电阵列接受。两束光的光程差为

1=2(L m-L c)(1)式中,L m为反射镜到分光点的距离,L c为参考镜到分光点的距离。当被测物带动触针移动时,触针带动角锥棱镜上下移动,由于测量光束在经过角锥棱镜时经历了一次光倍频,当被测物移动了 l时,两束光的光程差为

2=4 l+ 1(2)在移动的过程中,光程差的变化量为

= 2- 1=4 l(3)光程差 每变化一个波长 ,干涉条纹就明暗

交替变化一次,通过测量干涉条纹相位差变化量 ,可求得被测物移动距离 l。

=2!

=2!4 l

(4)

测量时,被测物带动触针移动时,触针带动角锥棱镜上下移动,从而引起两束光的光程差改变,当被测物带动触针移动1/4 时,干涉条纹明暗交替变化一次,通过对干涉条纹移动个数的计数,辨向,细分,即可得到被测物的位移。这里省略了空气折射率的参数,它的影响可以计入光程差中。

3 2 杠杆机构

杠杆机构由触针、角锥棱镜、测杆、十字片簧铰链、平衡弹簧等组成,杠杆机构受力分析如图2所示。触针固定在测杆的一端,测杆的另一端通过弹簧与螺柱固定在机架上,弹簧使测杆保持平衡。测杆安装在十字片簧铰链上,十字片簧铰链固定在支架上。测杆可以绕十字片簧铰链做无摩擦力转动,从而提高测杆的运动精度和灵敏度。十字片簧弹性支承常用于运动距离相对短,精度要求高的场合,其

特点是基本上无相对滑动,抗疲劳性好,对外界干扰不敏感,工作稳定可靠。

图2 杠杆机构受力图

该杠杆机构是一个二阶动态系统,可根据阻尼∀质量∀弹性系统的建模方法对其进行建模[5]。假设被测量的变化范围很小,即十字片簧的变形很小,杠杆机构的回转中心可以认为是十字片簧的交叉线。初始状态下,平衡弹簧初始拉力和重力的力矩保持平衡。根据上述模型可求得运动微分方程为

J c∀#+C∀∃+G∀=l1F-l2f(5)式中,C为粘性阻尼系数;F是触针接触力;J c为杠杆绕回转中心的转动惯量;G为十字片簧的扭转刚度;k为平衡弹簧的弹性系数;f为弹簧拉力,f= kl2∀。

式(5)是一个典型的二阶测量系统数学模型,对公式两端做付里叶变换可求得二阶系统的频率响应函数:

H(#)=

K0

1-(#/#0)2+j2∃(#/#0)

(6)式中,#0=G∃/J c是固有频率;∃=C/2G∃J c是阻尼比;K0=l1/G∃是杠杆机构的灵敏度。其中G∃= G+kl22。

3 3 光电信号处理

为了提涉条纹接受的信噪比,本位移测量仪采用 田字型四象限光电阵列接受干涉信号。 田字型四象限光电阵列对称性好,参数一致,获取干涉条纹信号集中,因而能极大地抑制直流信号,获取高信噪比的光电差分信号,增强了单频干涉测量的抗干扰能力[6]。光电阵列在干涉条纹中的放置如图3所示。

图3 四象限光电阵列的放置

为了分析的方便,假设光电阵列整体中心位置与干涉条纹中心位置重合。四象限光电阵列倾斜一定的角度%放置在干涉条纹区域内,差分信号由光电管1、2与3、4产生。已知四个光电管边长均为

a ,条纹宽度为d ,四象限光电阵列相对干涉条纹旋转角度为%。应用积分分析法,光电管1、2与3、4接受到的两正弦信号的相差为

&0=2a tan

sin %1cos %2-sin %1

cos %2+%1-cos %1cos %2(7)

其中

%1=

2!a sin %d %2=

2!a cos %在不同的条纹宽度d /a 下,可以计算出满足正交条件的旋转角度%值。

由四象限光电阵列接收的两路正交信号经前置放大、滤波、消除直流偏置和差动放大后,整形为方波信号后送入GAL16V8进行四倍频细分和辨向处理[7]

,然后送到A T C2051单片机实现干涉条纹四细分计数,并将计数值N 通过I SA 总线送给计算机。由于用GAL 和单片机只实现了对信号的四细分,四细分后的分辨力难以满足高精度测量的要求,因此还必须对两路光电差分信号Usin 和Ucos 进一步细分,当干涉条纹最后一个移动信号不足1/4周期时,采用12位A/D 芯片AD1674进行模数转换,可以通过软件计算出干涉条纹信号的瞬时相位角:

∀=Arctan

U sin U cos

(8)

根据计数值N 和干涉条纹瞬时相位角可得被测物的位移为

l =(N 4+∀2!) 4

=

N +

2∀!

16

(9)

本位移测量仪的半导体激光器的波长 为0 650∋m 。由于A/D 转换芯片是12位的,理论上1/4条纹周期内的信号进行212的细分,即理论分辨力达0 650um 16%212

=0 01nm 。但因AD 采样不同步,信号处理电路引入噪声等原因,试验证明经过进一步细分后的分辨力可以达到1nm 。 4 试验结果及精度分析

4 1 试验结果

应用该微位移测量系统对中国电子科技集团公司第二十六研究所生产的W TYD0808025型压电陶瓷微致动器进行了测量,该压电陶瓷微致动器的标称位移为25∋m,驱动电压0-200V,0.1V 变化的电压对应的压电陶瓷微致动器的变形量为1nm,利用本实验室研制的压电陶瓷驱动电源[8]

对该压电陶瓷微致动器驱动,每输出0 1V 时记录压电陶瓷微致动器的位移,实际试验中,该微位移测量系统的输出有

明显的变化,证明该系统实际分辨力可以达到1nm 。所测量的压电陶瓷微致动器位移曲线如图4所示。

图4 压电陶瓷微致动器位移曲线

4 2 测量仪精度分析

影响系统精度的因素主要有干涉条纹的拾取、激光器的频率稳定性、外界振动等。该系统测量光束经过角锥棱镜时经历了一次光倍频,当被测物位移1/4 时,干涉条纹就明暗交替变化一次,经过前置放大镜放大的干涉条纹由 田 字型四象限光电阵列完成光电转换。四象限光电管对称性好,参数一致,能极大地抑制直流信号,获取高信噪比的光电差分信号。利用可编程逻辑器件PLD 进行四倍频细分和辨向处理,结合对干涉条纹最后一个移动信号不足1/4周期的两路正交信号模数转换,通过软件计算出干涉条纹信号的瞬时相位角,系统理论分辨力达到0 01nm 。为了防止被测物体和参考光路返回激光干扰激光器的输出,本系统在激光器前面加了一个光学隔离器,此隔离器由起偏器和1/4波片组成,两者光轴夹角45&,激光经1/4波片后输出圆偏振光,返回再次经过1/4波片时形成的线偏振光的偏振方向与初始激光偏振方向相差90&,不能透过起偏器进入激光器。为了减少由于空气扰动、外界振动对测量结果产生的影响,该微位移测量仪需放置在光学隔振平台上。 5 结语

本文介绍的基于迈克尔逊激光干涉的纳米级微位移接触测量系统,采用光学倍程技术、电子细分与计算机细分相结合的方法,可以实现纳米分辨力,特别适合范围在微米及微米以下的位移测量,理论上测量范围达数毫米。杠杆机构是决定测量仪测量特性的关键部件之一,该测量仪杠杆采用十字片簧铰链支承,具有运动无间隙、精度高、弹性好、抗疲劳等优点。该位移测量系统可用于MEMS 器件的位移检测,压电器件位移检测,音圈电机位移检测,千分表、电感位移传感器等微位移传感器比对等。

参考文献

[1]石成英,李忠科,林辉,等.电感式微位移测量仪的设计与

实现[J].自动化仪表,2005,26(3):10-12.

[2]陈英飞,章海军.基于AFM 的微位移测量新方法研究[J].

光学仪器,2005,27(4):3-7.

[3]S H Wang,C J T ay,C Quan,et al.Laser integrated measure ment of surface roughness and micro displacement [J].Meas.Sci.T echnol.2000,11(2000):454-458.[4]吴宇,刘晓

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信号处理[J].光电工程,2007,34(7):30-34.

[5]李晓雷,俞德孚,孙逢春.机械振动基础[M].北京:北京

理工大学出版社,1996,25-31.

[6]王淑珍,谢铁邦,常素萍,等.四象限光电阵列用于表面形貌测量的研究[J],中国机械工程,200819(19):2348-2351.

[7]王选择,郭军,谢铁邦.精密衍射光栅信号的椭圆拟合与细分校正算法[J].工具技术,2003,37(12):47-49.[8]王选择,郭军,谢铁邦.以正交衍射光栅为计量标准器的二维微位移工作台[J].光学精密工程,2003,11(5):492-496.

第一作者:王淑珍,博士研究生,副教授,华中科技大学,430074武汉市

First Author:Wang Shuzhen,Doctoral Candidate,Associate Professor,Huazhong Universi ty of Science and Technology ,Wuhan 430074,China

收稿日期:2009年4月

回归分析在基于磁弹法的磨削烧伤检测定标中的应用

朱正德

大众动力总成(上海)有限公司

摘要:磨削烧伤是工件在磨削过程中形成的一种隐性缺陷,其存在将严重威胁到产品质量。传统的磨削烧伤检查方法有许多局限性,难以完全满足准确、快速检测的要求。本文介绍一种新颖、高效的磨削烧伤检测方法∀∀∀磁弹法,阐释了这种方法的工作原理,以及在此基础上研制的专用检测仪器的基本结构和组成,重点分析了应用磁弹法时的评定特征值和仪器定标。最后,阐述了如何通过线性回归的分析方法,解决仪器定标中确定产品是否合格界限的 量化 难题,使磁弹法的间接测量特性转化为更贴近生产实际的直接测量。

关键词:磨削烧伤;检测方法;磁弹法(B NM );特征值;定标;回归分析中图分类号:TG58 文献标志码:A

Applicayion of Regression Analysis on C alibration in BNM-based Grinding Burn Detection

Zhu Zhengde

Abstract:The grinding burn is a ki nd of recessive flaw formed i n grindi ng process,which has a serious threat to the product q uali ty.The traditional detecting method for grinding burn can ∋t fully meet the need of accurate and fast detection because of some limitations.In this paper,a novely,efficient detecting method for grinding burn-Barkhansen noise method (BNM)was intro duced,i ts working principle,and the basic structure and constitute of a BNM based special detecting instrument were explained,the evaluation eigenvalue and instrument calibration were emphsized.Finally,through linear regression analysis,the quantization problem abou t how to confi rm GO/NO boundary in instrument calibration was solved,so the indirect measurement feature of B NM is translated into direct measuremen t,which is more compliance with the procuction practice.

Keywords:grindin g burn;detecting method;barkhansen noise method(BNM);eigenvalue;calibration;regression analysis

1 磨削烧伤及其传统检查方法

磨削烧伤是轴类零件在磨削加工过程中形成的一种肉眼难以识别的缺陷,产生的原因主要是由磨削工艺的特点所决定的。由切削加工理论可知,在磨削加工时,单位切削面积上的功率消耗远远超过其他加工方法,功率消耗转化成的热量大部分会传

入工件,因此很容易引起其加工表面金相组织的变化。在工艺参数、冷却方式和磨料状态选择不当的情况下,工件在磨削过程中极易出现磨削烧伤,即产生相当深的金相组织变化层(即回火层),致使表面硬度大大下降,并伴随出现很大的表面残余应力,从而使工件表面产生裂纹的倾向性大大增加。事实上,与那些呈现在零件表面的显性缺陷(如压陷、缩孔、擦痕、裂纹等)相比,磨削烧伤是一种更严重的隐患。特别是对于那些在使用过程中需承受交变载荷